相控陣超聲檢測在石化管道對接焊縫檢測中的應用

李兆太 王新光 趙志剛 束方勇 李鵬 吳豪

1.南京金陵檢測工程有限公司 江蘇 南京 210033；2.中石化工程質量監測有限公司 北京 100029；

3.煙臺長城檢測有限公司 山東 煙臺 265500；4.天津市達安特工程檢測有限公司 天津 300270

相控陣超聲檢測技術具有靈敏度高、全程記錄檢測過程的參數和圖像、可追溯、可存檔及可復現等特性。其可替代射線檢測，可在白天施實，并對周圍環境無不良影響，對檢測人員和周圍其他人員不會造成傷害。以下針對相控陣超聲檢測的特點、檢測設備系統、人員要求、相控陣超聲檢測典型圖譜等進行分析。

1 相控陣超聲檢測的特點

相控陣超聲檢測是數字化超聲檢測的一種，是超聲檢測的高級版，其具有以下特點：

（1）強大的計算機功能，控制多晶片探頭發射的聲場，使其形成聚焦聲束，聲束指向性好，聚焦深度可任意調節；

（2）聚焦聲束沿設定的角度范圍進行有序掃描，聲場覆蓋整個焊縫，達到對整個焊縫截面的掃查；

（3）通過行程編碼器記錄探頭位置信息，實現檢測信息可追溯、可復現，再現性強；

（4）可形成焊縫檢測的截面圖、側視圖、俯視圖和任意位置的A 超波形圖。

（5）全部檢測參數和圖形數據形成電子文檔，可長期保存，可復制，可遠距離傳輸；

（6）缺陷長度、高度、深度及定位精度高，可達0.1mm。

典型相控陣超聲檢測掃查方法見圖1，直管對接焊縫及直徑大于100mm 的工藝管道環焊縫可以從焊縫兩側進行掃查。相控陣超聲檢測聲束在焊縫橫截面掃描角度和覆蓋范圍見圖2，典型相控陣超聲檢測圖譜見圖3。

圖1 相控陣超聲檢測掃查方法示意圖及實物照片

圖2 相控陣超聲檢測聲束在焊縫橫截面掃描角度和覆蓋范圍示意圖

圖3 相控陣超聲檢測圖譜

2 相控陣超聲檢測設備

相控陣超聲檢測設備由相控陣超聲檢測儀、軟件、相控陣超聲探頭、楔塊、掃查裝置和耦合注水裝置等組成。典型管道對接焊縫相控陣超聲檢測設備外形如圖4 所示。

圖4 相控陣超聲檢測設備

相控陣超聲檢測原理：相控陣儀器通過時控激發脈沖激勵多晶片相控陣探頭，使探頭發射的聲場成聚焦聲束；利用相控陣電子掃描技術控制聲束角度的變化，使聲束掃描覆蓋全焊縫截面；掃查裝置確保探頭沿設計的軌跡進行精確行走和掃查，掃查步進可根據檢測工件的厚度進行設置；步進范圍一般為0.25～2mm，在此范圍可任意設置，如選擇步進為1mm，即探頭沿焊縫長度方向每前進1mm 就形成一幅B 掃描圖（聲束對焊縫全截面的掃描圖）；掃查裝置沿焊縫行走一周，即可實現整個環形焊縫的全面掃查，形成全焊縫相控陣圖譜。圖譜名稱可以設置為工程代號- 區號- 管號- 焊口號存檔，以便于歸檔保存和查閱。

相控陣超聲檢測時，根據被檢焊縫的厚度選擇探頭規格和楔塊角度。探頭一般分為16 晶片、32 晶片、64 晶片和128 晶片等規格，晶片數量越多、尺寸越大，聚焦效果越好，檢測厚焊縫的能力越強。相控陣超聲檢測儀既可以配置雙通道相控陣探頭進行雙向檢測，又可實現相控陣+普通UT 檢測、相控陣+ 單通道TOFD 檢測，以及相控陣+ 多通道TOFD 檢測等功，可進行更加完善的檢測。選擇探頭晶片數量越多、功能越全，對儀器的配置要求也越高。

專用焊縫掃查裝置根據不同的管道規格進行配置，對于直徑400mm 及以上的管道，還可以選擇平板對接焊縫的掃查裝置。掃查裝置應確保探頭沿規定的軌道行進，專用掃查裝置如圖5 所示。

圖5 不同管道規格專用掃查裝置

3 對檢測人員的要求

相控陣超聲檢測是超聲檢測的高級版，對檢測人員素質有更高的要求：

（1）檢測人員應具有UTⅡ級及以上超聲檢測的知識和管道UT 檢測經驗；

（2）了解管道焊接工藝和管道各種焊接位置易產生的缺陷；

（3）掌握管道焊縫相控陣圖譜的識別與評判；

（4）經過管道焊縫相控陣超聲檢測的專業培訓，并考核合格。

2016 年9 月，中石化受命對福建騰龍翔鷺項目進行全面檢驗和評估。為了保證檢驗任務按時、保質完成，中石化組織了8 家檢測單位對該項目全部壓力管道的對接焊縫進行100%檢測，檢測方法為射線檢測或相控陣超聲檢測。針對相控陣超聲檢測，中石化質監總站專門成立了相控陣超聲檢測技術組，由11 名相控陣超聲檢測專家組成。該技術組在中石化質監總站的領導下工作，對相控陣超聲檢測人員進行技術培訓，并定期召開會議解決技術問題。截止到2019 年5 月，中石化質監總站共舉辦相控陣超聲檢測人員培訓班7 期，通過培訓和嚴格考核，共計197 名同志考試合格，為石油化工管道和長輸管道進行相控陣超聲檢測提供了人員保障。

4 典型相控陣超聲檢測圖譜與射線底片對比

福建騰龍翔鷺項目相控陣超聲檢測技術的實施，有利地保證了檢驗進度和檢測質量。該項目采用相控陣超聲檢測共計10 萬多道，已于2018 年12 月投產，至今運行穩定。

項目檢測初期，相控陣技術組組織各檢測單位進行相控陣檢測與射線檢測結果對比，對存在的問題進行討論、分析，提出對策，保證了相控陣超聲檢測的質量。以下就典型射線底片與相控陣圖譜進行對比。圖6 為良好焊縫底片及其相控陣超聲檢測圖譜，規格：219 mm x6mm；材質：碳鋼；圖7 為根部未焊透缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜，規格：114 mm x8mm；材質：碳鋼；圖8 為根部（規格：508mm x15.9mm；材質：碳鋼）和坡口（規格：219 mm x7mm；材質：碳鋼）未熔合缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜；圖9 為條狀缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜，規格：219 mm x10mm；材質：碳鋼；圖10 為氣孔缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜，規格：114mm x6mm；材質：碳鋼；圖11 為裂紋缺陷及其相控陣超聲檢測圖譜，規格：356mm x7.92mm；材質：碳鋼。

圖6 良好焊縫底片及其相控陣超聲檢測圖譜

圖7 根部未焊透缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜

圖8 根部（a）和坡口（b）未熔合缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜

圖9 條狀缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜

圖10 氣孔缺陷底片及其相控陣超聲檢測圖譜

5 展望

采用相控陣超聲檢測技術，檢測人員可以在白天工作，改善了工作環境和條件；可替代射線檢測，對周圍環境無污染，對其他人員無傷害，防止輻射事故的發生，提高了安全性。

截至目前，相控陣超聲檢測廣泛應用的條件已經具備：JB/ T47013.15- 2021《承壓設備無損檢測第15 部分相控陣超聲檢測》 標準已于2021.08.26 實施；SH/ T3545- 2020《石油化工管道工程無損檢測》（第10 章相控陣超聲檢測）已于2021 年4 月1 日實施；中石化管道相控陣超聲檢測人員培訓考核已進行7 期，共計考核合格197 人；中國特種設備檢驗協會進行相控陣超聲檢測Ⅱ級人員培訓已進行7 期，考核合格人員近1000 人；相控陣檢測儀器、探頭及掃查裝置國產化已有多家，且儀器性能不低于進口產品。

目前，相控陣超聲檢測技術已在很多項目中應用，如福建騰龍翔鷺項目、鎮海煉化煤焦制氣聯合(POX)裝置、潛江- 韶關輸氣管道項目、鄂安滄輸氣管道項目、浙江石油化工4000 萬t/ a 煉化一體化項目和廣東中科煉化一體化項目等。期望該技術在未來得到更廣泛深入的推廣應用。